基于可見光通信的視頻傳輸系統

吳 猛

(吉林化工學院 信息與控制工程學院， 吉林 吉林 132022)

0 引 言

可見光通信技術(Visible Light Communication，VLC)是通過可見光波段的光作為載波傳輸信息的一種無線通信技術[1]。與傳統無線電通信相比，VLC具有通信速率高、保密性好、低功耗、無輻射、機動靈活等特點，且使用頻段無需申請授權。VLC通常采用發光二極管(LED)和激光二極管(LD)作為光源，通過VLC實現低成本、高帶寬、高速率的無線數據傳輸，是典型的綠色通信技術[2-3]。

1999年，VLC剛剛興起，Pang等[4]率先對VLC的音頻傳輸開展了研究，但因其有限的帶寬限制了VLC的傳輸速率。2003年，日本成立VLC聯合體(VLCC)，大力發展商業化的VLC。其中，中川研究室實現了基于VLC的超市定位及導航系統[5]。2010年，德國弗勞恩霍夫研究所的團隊將通信速率提高至 513 Mb/s，創造了世界紀錄，并通過理論分析認為此系統通信速率仍有很大的提升空間，從此可見光通信的研究有了質的飛躍[6]。2013年，我國創立首個可見光“863計劃”項目，組建了“中國可見光通信產業技術聯盟”，并通過3年多的科技攻關，先后成功研發“可見光新型無線廣播”[7]“可見光精確定位”等應用示范系統[8-10]。近2年，逐漸有學者將激光通信技術引進視頻傳輸中[11]，并得到了比傳統視頻傳輸更好的通信效果。如，2017年范桂齡等提出了激光通信的圖像傳輸系統，并通過仿真實驗對圖像傳輸采集技術的性能進行驗證[12]。同年，林逢春等針對激光視頻傳輸中的信號采集，提出了小波去噪、視頻圖像增強處理等方案[13]。

本文針對可見光通信獨有特點，設計了一種基于FPGA的可見光視頻傳輸收發系統，系統采用開關鍵控-非歸零(OOK-NRZ)調制編碼方式。實現了單工通信模式下的數據傳輸，并通過時鐘數據恢復驗證通信系統可傳輸帶寬為30 Mb/s。

1 系統總體設計

LD可見光通信無線視頻傳輸系統可根據功能分為發射系統和接收系統。發射系統主要由攝像頭、視頻數據采集電路、激光驅動電路、光學天線及激光器組成；接收系統主要由光電探測器、信號調理電路、接收端視頻恢復電路、光學天線以及顯示器組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 VLC視頻傳輸系統框圖

系統采用攝像頭對圖像信息進行采集，攝像頭輸出為模擬信號，通過FPGA對模擬視頻信號進行AD采樣，即將模擬信號轉換為數字信號，激光驅動電路采用直接調制的方式，使電信號直接改變半導體激光器的電流，輸出激光強度隨電信號而改變，最后光信號通過光學天線完成發送[14-15]。光信號通過光學天線聚焦到光電探測器上，將光信號轉換為電信號，在經過放大、濾波以及FPGA解碼實現視頻數據的恢復。

2 發射單元設計

2.1 視頻數據采集電路

視頻數據采集電路采用FPGA將攝像頭采集的模擬信號轉換為數字信號，系統選用Intel(原ALTERA)公司的EP4CE6F17C8FPGA作為主控芯片配合ADC0809進行完成數據采集。ADC0809采用5 V單電源供電，具有8位精度的分辨率，轉換時間為100 μs。通過FPGA控制模數A/D轉換，將50 MHz分頻為1 MHz輸入給0809的時鐘CP。AD0809主要進行時序控制，對模擬信號采樣，轉變為數字信號，再由FPGA讀取并完成串行發送至激光驅動器。

2.2 激光驅動電路

LD和LED在可見光通信系統中各有特點，而LD的轉換速率更快，發散角度小等特點在視頻傳輸上更具優勢。因此，設計選用PL520B半導體激光器作為光源，其輸出波長為520 nm，最大輸出光功率可達80 mW，最佳工作溫度為25℃。由于LD為電流控制器件，即其輸出與電流近似呈線性相關，如圖2所示。

圖2 PL520B激光調制原理圖

設計選用40N10高速場效應管(MOSFET)，該管具有100 V的漏-源極擊穿電壓，40A的漏極電流，依靠柵極電壓導通特性，其柵極閾值電壓為2～4 V，上升沿時間為30 ns，設計驅動電路如圖3所示。選用TC4427A作為該場效應管的驅動，輸入容許TTL(0～5 V)數據信號，峰值輸出電流為1.5 A，滿足高速激光器驅動要求。啟動時，允許有電流經過LD和限流電阻，并由外部6.5 V穩壓源為其供電。其中R1電阻為LD限流電阻，限制電流在1A以下。

圖3 激光驅動電路

3 接收單元設計

3.1 信號調理電路

光電探測器的選型不僅要和后續電路相匹配，更要和被測信號、光學系統相匹配，因此探測器的選型直接影響通信質量。采用濱松公司的S5972硅PIN光電二極管，光譜響應范圍320～1 000 nm，探測靈敏度為0.55 A/W，截止頻率為500 MHz。由于其探測光敏面僅為直徑0.8 mm的圓，在探測面積下接收到的光能量很小，以此在前端設計有光學天線將接受范圍擴大到35°，最大限度保證接收信號的穩定性。

當有光照射到PIN上時，此時的PIN就相當于一個電流源。設計通過信號調理電路將PIN產生的電流信號轉換為FPGA可接受的標準TTL信號。信號調理單元如圖4所示，光電二極管工作在偏壓狀態下，進行光信號到電流信號的轉換，后經過兩級放大并轉換為電壓信號。

圖4 信號調理框圖

前置運算放大器主要是完成電流-電壓的轉換，也稱為跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier：TIA)，選用ANALOG DEVICES公司的OP37芯片，其輸出端有很好的負載能力，電流-電壓轉換電路如圖5所示。其輸出電壓為

Uout=Uref-IinRfdb

式中:Uref為參考信號輸入端;Rfdb為反饋阻抗。由此可見，通過使用跨阻阻抗可成功將電流信號轉換為電壓信號。而對于所有的負反饋電路，均存在一定幅度的自激振蕩，因此在Rfdb兩端并用小容值的電容，以此消除不必要的自激振蕩和過沖。

圖5 電流-電壓轉換電路

在TIA放大之后的電壓信號是一種幅值不等的數字信號，以此仍需限幅放大器作為主運放，對輸出電壓信號的幅值整形，使其穩定在0 V或5 V供FPGA使用。其中電壓比較器是較為常用的限幅放大器，設計選用Texas Instruments公司生產的TLV3502電壓比較器芯片，輸入信號頻率范圍為0.1 Hz～230 MHz，輸入信號電壓范圍為0.01～5Upp，閾值電壓可以通過手動調節或者外接DA程序調節，調整范圍為0～4.5 V，輸入高阻抗，輸出50 Ω阻抗。如圖6所示，-INA為輸入參考電壓，當輸入+INA的電壓高于參考電壓時，輸出U+電壓為5 V，反之則輸出U-電壓為0 V。

圖6 限幅放大電路

3.2 視頻數據恢復電路

視頻數據恢復電路與視頻數據采集電路功能相反，視頻恢復如圖7所示，將經過信號調理電路的標準TTL信號，通過FPGA將串行數據轉換為并行數據，并實現視頻信號的恢復。時鐘模塊為整個數據恢復提供5及25 Mb/s的時鐘，光信號的峰值速率為25 Mb/s。FIFO模塊將數據分為8 bit一組，緩存數據使其能與FPGA的5 Mb/s內部時鐘同步，以便串并轉換模塊將串行25 Mb/s的數據轉換為并行5 Mb/s的并行數據輸出，經過數模轉換恢復模擬的視頻信號，最終實現視頻數據的恢復。

圖7 視頻恢復原理框圖

4 系統測試

根據上述原理設計制作視頻傳輸裝置。實驗先對3 m通信距離下系統的通信質量進行測試，測試框圖如圖8所示。測試首先采用FPGA產生偽隨機序列碼作為信號源，直接加載在發射端驅動器上，通過直接調制的方式驅動激光器；接收端采用CDR進行時鐘和數據恢復，并通過tek探測器進行波形的觀察。測試結果如圖9所示，圖中藍色為數據信號，黃色為CDR恢復的時鐘信號，測試結果時鐘頻率為30 MHz，滿足設計要求。

圖8 通信性能測試框圖

圖9 探測器顯示波形

5 結 語

設計了一套基于半導體激光器的可見光通信視頻傳輸系統，利用FPGA對圖像進行采集，并通過驅動電路實現光信號的發送；接收端光電轉換后通過信號調理整形，數據并串轉換恢復視頻數據，完成視頻數據的空間傳輸，其傳輸距離可達10m，且視頻實時傳輸效果好、傳輸數據容量大，所傳輸圖像清晰度高達1024P。綜上所述，本文研究的可見光通信視頻傳輸實現了高清視頻數據的無線激光傳輸和顯示，是對現有空間光通信技術的一種新型應用，極大的降低了視頻傳輸系統的架設時間和鏈路維護成本，豐富了無線光通信技術的應用場景。